DE2601416A1 - Verfahren zum erzeugen verschleissfester oberflaechen auf artikeln aus einer siliziumreichen aluminiumlegierung - Google Patents

Description

• Verfahren zum Erzeugen verschleißfester Oberflächen auf Artikeln aus einer siliziumreichen Aluminiumlegierung Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um einen Artikel, der aus einer hypereutektischen Silizium-Aliiminiumlegierung besteht, mit einem reibungsmindernden, verschleißfesten Oberflächenfinish zu verstehen.
• Es ist üblich, bei leichten Verbrennungsmotoren verschiedene Teile, wie beispielsweise die Zylinderblöcke und Zylinderauskleidungen, aus einer siliziumreichen Aluminiumlegierung zu bilden. Die Oberflächen der aus solchen Legierungen geformten Motorzylinder sind anfällig für Abrieb und Verkratzen, insbesondere beim Einfahren, was eine mindere Verschleißfestigkeit und Kompressionsverluste zur Folge hat.
• Beispiele für bisherige Vorschläge zum Lösen dieses Problems sind in den US-PS'n 3 333 579 und 3 723 209 beschrieben.
• Gemäß der Erfindung wird auf der sich abnutzenden Oberfläche eines aus einer hypereutektischen Silizium-Aluminiumlegierung bestehenden Artikels ein reibungsmindernder ueberzug mit verbesserter Verschleiß- und Kratzfestigkeit in der Weise angebracht, daß zuerst die Oberfläche des Artikels gereinigt wird, um praktisch alle organischen Verunreinigungen zu entfernen, daß vorzugsweise eine äußerste Aluminiumschicht von der Oberfläche entfernt wird, um Siliziumpartikel freizulegen, die über die umgebende Aluminiumlegierungsfläche vorstehen, und daß dann der Artikel in ein wäßriges Bad zum Auftragen des ueberzugs, das etwa 4 bis 8 Gew.%, vorzugsweise etwa zwischen 5,7 und 6,7 Gew.%, eines Alkalistannats, ausgewählt aus der Kaliumstannat, Natriumstannat und deren Gemische umfassenden Gruppe, enthält, ausreichend lang eingetaucht wird, um auf der Aluminiumlegierungsoberfläche, die die Siliziumpartikel umgibt, einen dünnen Überug aus metallischem Zinn chemisch niederzuschlagen.
• Die Temperatur des Bades wird für das Eintauchen vorzugsweise im Bereich von etwa 53,300 bis 55,500 (128 - 1320F) gehalten, um die Bildung von freiem Alkali in dem Bad zu verhindern und dadurch sicherzustellen, daß ein glatter, gleichmäßiger und haftender Zinnbelag erzeugt wird, und um die Nutzlebensdauer des Bades ohne Zugabe von Puffersubstanzen zu verlängern.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen: Fig.1-3 vergrößerte schematische Schnitte der beanspruchten Fläche (Arbeitsfläche) eines Artikels, etwa eines Verbrennungsmotors, der aus einer hypereutektischen Silizium-Aluminiumlegierung besteht, wobei das Aussehen der Oberfläche vor dem vorzugsweisen Entfernen von Aluminium, nach dem vorzugsweisen Entfernen von Aluminium und nach der chemischen Auftragung eines dünnen Zinnbelages gemäß der Erfindung veranschaulicht ist.
• Im folgenden sind unter siliziumreichen Aluminiumlegierungen hypereutektische Gußlegierungen auf Aluminiumbasis zu verstehen, die bis zu 20 Gew. Silizium enthalten, sowie solche Al-Si-Legierungen, die außerdem noch bis zu etwa 9 Gew.% Magnesium und/oder kleine Mengen Kupfer, Eisen, Zink, Mangan, Nickel und Titan enthalten. Eine Legierung, die für Zylinderblöcke von Verbrennungsmotoren besonders geeignet ist und sich gut mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandeln laßt, ist eine hypereutektische Silizium-Aluminiumlegierung, die etwa 16 bis 18 Ges.% Silizium, etwa 0,3 bis 0,5 Gew.% Hagnesium, etwa 3,5 bis 4,5 Gew.% Nickel, etwa 0,8 bis 1,2 Gew.% Kupfer, etwa 0,4 bis 0,8 Ges.% Eisen, bis zu etwa 0,1 Gew.% Titan, bis zu etwa 0,5 Gew.% Zink und bis zu etwa 0,3 Gew.% Mangan enthält, wobei die Differenz auf 100 % Aluminium ist.
• Nachdem ein Teil, etwa der Zylinder eines Verbrennungsmotors, von einer hypereutektischen Silizium-Aluminiumlegierting in die gewünschte Form gegossen worden ist, werden die Arbeitsfläohen 10 in üblicher Weise auf die gewünschten Sollmaße mechanisch fein abgeschliffen oder geläppt. Dabei entsteht eine glatte Oberfläche, in deren oberster Schicht 14 einige Siliziumpartikel 12 freiliegen.
• Damit man in dem späteren Auftragungsschritt einen fest haftenden metallischen Zinnbelag erhält, wird die Oberfläche 10 von allen oder praktisch allen organischen Verunreinigungen, etwa Staub, Fett, öl u.dgl., gereinigt. Zu diesem Zweck können verschiedene gebräuchliche niederalkalische Reinigungsmittel verwendet werden. Das Teil kann z.B. in ein bewegtes organisohes Lösungsmittel, etwa Trichloräthylen, bei Raumtemperatur getaucht und/oder in durch ein organisohes Lösungsmittel, wie Trichloräthylen, entfetteten Dampf bei Temperaturen von etwa 8700 (1880F) gebracht werden. Nach Wunsch kann die Oberfläche noch weiter gereinigt werden, indem das Teil etwa 5 Minuten lang oder länger in ein bewegtes Bad getaucht wird, das ein emulgiertes aliphatisches Lösungsmittel bei einer Temperatur von etwa 60 bis 7100 (140-160°F) enthält, und/oder das Teil etwa 30 bis 60 Sekunden lang in einen Ultraschall-Reiniger gebracht wird, der eine schwachalkalische Fettsäuresubstanz, etwa Triäthanolaminseife, verwendet. Es sei darauf hingewiesen, daß anstelle der hier speziell erwähnten auch verschiedene andere geeignete Lösungsmittel und Reinigungsmittel verwendet werden können. Um die Bildung eines Oxydfilms auf der Oberfläche 10 möglichst zu unterbinden, sollten die Reinigungsmittel zweckmäßigerweise eine verhältnismäßig niedrige Basizität haben. Auch dürfen die Reinigungsmittel zweckmäßigerweise die Oberflächenschicht 14 nicht merklich ätzen.
• Nachdem das Teil gereinigt ist, wird es mit Wasser vorzugsweise bei einer Temperatur von wenigstens 71 0C (160°P) abgespült, um etwa auf der Oberfläche 10 verbliebenes Reinigungsmittel restlos zu beseitigen. Nach dem Reinigen und Spülen wird die Oberfläche 10 mechanisch oder chemisch derart behandelt, daß vorzugsweise alles Aluminium und andere Begierungsbestandteile von der Oberflächenschicht 14 entfernt werden, so daß die Siliziumpartikel 12 freigelegt werden und über die sie umgebende Aluminiumlegierungsoberfläche 16 vorstehen, wie in Fig.2 gezeigt. In einem Ausübungsbeispiel der Erfindung kann dieses bevorzugte Beseitigen von Aluminium mit Hilfe einer chemischen Atzbehandlung geschehen, bei der das Teil in eine anorganische Säure getaucht wird, um eine dünne Oberflächenschicht von Aluminium und Legierungsbestandteilen rund um die Siliziumpartikel 12 aufzulösen, ohne die Siliziumpartikel 12 anzuätzen.
• Damit man in dem nachfolgenden Verfahrensschritt des Aufbringens eines Zinnüberzuges einen stark haftenden Belag aus metallischem Zinn erhält, muß die Aluminiumlegierungsoberfläche 14 rund um die Siliziumpartikel 12 stark aktiv, d.h. praktisch frei von allen Oxyden sein. Deshalb darf für diese chemaische Ätzbehandlung kein Bad mit einer oxydierenden Säure und kein alkalihaltiges Bad verwendet werden. Das Ätzbad kann günstigerweise eine wäßrige Lösung einer nichtoxydierenden Mineralsäure sein, beispielsweise eine 10-50%ige Salpetersäurelösung (420 Baum') bei Raumtemperatur. Das Teil wird etwa 1 Minute lang in das Bad eingetaucht oder bis die Aluminiumlegierungsoberfläche 16 rund um die Siliziumteilchen 12 im wesentlichen von Flecken befreit oder ziemlich blank geworden ist.
• Nach diesem Verfahrens schritt der Behandlung mit Säure wird das Teil vollständig mit Wasser abgespült, etwa indem es nacheinander in mehrere Uberlauftanks mit kaltem Wasser (z.B.
• Wasser bei einer Temperatur von 1,6 bis 4,40C) getaucht wird, um praktisch alle Spuren der Atzsäure von der Oberfläche 16 zu beseitigen. Für dieses Spülen sollte vorzugsweise kein warmes oder heißes Wasser verwendet werden, weil dadurch die Bildung eines Oxydfilms auf der Aluminiumlegierungsoberfläche 16 begünstigt wird. Ein solcher Oxydfilm auf der Oberfläche 16 kann eine mangelhafte Haftung des anschließend aufgebrachten Zinnüberzuges verursachen.
• Nach dem Verfahrensschritt des Spülens wird auf die die Siliziumpartikel 12 umgebende Aluminiumlegierungsoberfläche 16 ein gleichmäßiger Überzug oder Belag aus metallischem Zinn 18 aufgebracht, um eine reibungsmindernde, verschleißfeste Arbe-itsfläche 20 zu schaffen, wie sie in Fig.3 gezeigt ist. Gemäß der Erfindung geschieht dies, indem die Oberfläche 16 einer wäßrigen Lösung ausgesetzt wird, die ein Alkalistannat enthält, das aus der Kaliumstannat, Natriumstannat und deren Gemisch umfassenden Gruppe gewählt ist. Das Teil kann in ein wäßriges Bad getaucht werden, das etwa 4 bis 8 Gew.%, vorzugsweise zwischen etwa 5,7 und 6,7 Gew.% und am zweckmäßigsten etwa 6,3 Ges.% des Alkalistannats enthält, und zwar ausreichend lang, um auf der Oberfläche 16 einen metallischen Zinnbelag sich absetzen zu lassen. Derzeit wird Kaliumstannat als Alkalistannat bevorzugt, weil es, wie sich herausgestellt hat, einen wirksamen Zinnbelag für längere Zeit liefert. Während dieser chemischen Ablagerung oder stromlosen Uberzugauftragung schlägt sich metallisches Zinn hauptsächlich nur auf der die Siliziumpartikel 12 umgebenden Aluminiumlegierungafläche 16 nieder und haftet dort.
• Die Eintauchdauer hängt von der speziellen Konzentration und dem Typ des in dem Bad verwendeten Alkalistannats, von der Temperatur des Bades und der gewünschten Dicke des fertigen Zinnüberzuges 18 ab. Als Richtlinie sei erwähnt, daß eine Eintauchdauer von etwa 2 bis 3 Minuten sich als ausreichend erwiesen hat, um einen metallischen Zinnbelag von etwa 0,0050 mm Dicke auf der oben erwähnten spezifischen Legierung für Zylinderblöcke von Motoren vorzusehen, nachdem die Oberfläche durch Eintauchen in ein verdünntes (10-20%) Salpetersäurebad bei Raumtemperatur etwa 1 Minute lang geätzt worden ist.
• Für das Auftragungsbad können zwar auch andere Temperaturen verwendet werden, es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei Einhaltung einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 53,3 und 55,erz (128 und 1320F), vorzugsweise bei 54, 40C (1300F) ein gleichmäßiger, haftender Zinniederschlag entsteht und die Nutzlebensdauer des Bades verlängert werden kann, ohne daß ein Puffermittel, etwa Natriumacetat, enthalten sein muß oder periodisch ein Neutralisierungsmittel, wie etwa Essigsäure, dem Bad zugefügt werden muß. Temperaturen des Bades unter etwa 53,300 (128°?) ergeben einen Zinnüberzug schlechter Qualität, während Temperaturen des Bades über etwa 55,50C (132°y) übermäßige Mengen freien Alkalis in dem Bad als Nebenprodukt der Abscheidungsreaktion entstehen lassen, was eine schlechte Haftung des Zinnüberzugs und eine Herabsetzung der Nutzlebensdauer des Bades zur Folge hat.
• Das Abscheidungsbad liefert effektiv einen gleichmäßigen, haftenden Überzug aus metallischem Zinn, solange der Gehalt an freiem Alkali in dem Bad unter etwa 0,7 Ges.% bleibt. Daher ist es zweckmäßig, den Gehalt des Bades an freiem Alkali (z.B. Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid) zu überwachen oder zu messen, beispielsweise mit Hilfe einer herkömmlichen Säuretitrierung auf periodischer oder kontinuierlicher Basis.
• Sobald der Gehalt an freiem Alkali diese obere Grenze erreicht, muß das Bad entweder erneuert oder in geeigneter Weise behandelt werden, um den freien Alkaligehalt auf eine annehmbare Höhe zu senken, ohne Zinnsäure aus zufällen. Die GeT sohwindigkeit, mit der sich in dem Bad freies Alkali bildet, kann dadurch herabgesetzt werden, daß man das Band sich auf Raumtemperaturen abkühlen läßt, wenn es nicht zum Aufbringen des Überzugs benutzt wird.
• Nach Beendigung des Verfahrensschrittes der Metallabscheidung wird das Teil aus dem Bad herausgenommen, in Wasser abgespült, um die Stannatlösung zu entfernen, und dann getrocknet. Beispielsweise kann das Teil nacheinander in mehrere Uberlauftanks mit kaltem Wasser getaucht werden, um die Stannatlösung zu beseitigen, dann in einen Überlauftank mit warmem Wasser (z.B. bei einer Temperatur von 71 bis 37,70C (1601O0OF)) eingetaucht werden, um das Trocknen zu unterstützen, und schließlich einem heißen Luftstrom ausgesetzt werden, um das Teil vollständig zu trocknen.
• Der entstandene Überzug aus metallischem Zinn liefert in Kombination mit den offenliegenden Oberflächen der Siliziumpartikel 12 eine praktisch glatte Arbeitsfläche 20 mit geringer Reibung, die verschleißfest und kratzfest ist. Die äußeren Oberflächen der Siliziumpartikel 12 sind in der Darstellung als mit dem Zinnüberzug 18 in einer Ebene liegend gezeigt. In der Praxis können einige Siliziumpartikel ein klein wenig über die äußere Oberfläche des Zinnüberzuges 18 vorstehen, während andere teilweise mit dem Zinnüberzug 18 bedeckt sein können.
• Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der vorstehenden Beschreibung und der Zeichnung beschränkt. Vielmehr kann sie auf verschiedene Weise ausgeübt werden, so weit dies im Rahmen der Ansprüche liegt.

Claims (10)

Ansprüche

1. Verfahren, um einen Artikel, der aus einer hypereutektischen Silizium-Aluminiumlegierung besteht, mit einem reibungsmindernden, verschleißfesten Oberflächenfinish zu versehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Artikels gereinigt wird, um praktisch alle organischen Verunreinigungen von der Oberfläche zu beseitigen, daß aus der äußersten Schicht (14) der Oberfläche des Artikels bevorzugt Aluminium entfernt wird, um Siliziumpartikel (16) freizulegen, so daß sie über die umgebende Legierungsoberfläche (16) vorstehen, und daß der Artikel in ein wäßriges Abscheidungsbad, das etwa 4 bis 8 Gew. eines Alkalistannats, ausgewählt aus der Kaliumstannat, Natriumstannat und deren Gemische umfassenden Gruppe, enthält, ausreichend lang eingetaucht wird, um auf der umgebenden Legierungsoberfläche (16) einen dünnen Niederschlag (18) aus metallischem Zinn sich absetzen zu lassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Bades während des Eintauchens im Bereich von etwa 53,3 bis 55,5°C gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium durch Ätzen in einem Säurebad bevorzugt entfernt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Alkalistannats in dem Abscheidungsbad zwischen etwa 5,7 und etwa 6,7 Gew.% beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalistannat Kaliumstannat ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Kaliumstannat in dem Bad etwa 6,3 Gew.% beträgt und daß die Temperatur des Bades während des Eintauchens etwa 54,500 ist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an freiem Alkalihydroxid in dem Abscheidungsbad überwacht wird und das Bad erneuert wird, wenn dieser Gehalt etwa 0,7 Gew.° übersteigt.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung aus im wesentlichen etwa 16 bis 18 Gew. Silizium, etwa 0,3 bis 0,5 Gew.% Magnesium, etwa 3,5 bis 4,5 Gew.% Nickel, etwa 0,4 bis 0,8 Gew. Eisen, bis zu etwa 0,1 Gew.% Titan, bis zu etwa 0,5 Gew.% Zink und bis zu etwa 0,3 Gew. Mangan besteht, wobei die Differenz auf 100 ffi Aluminium ist.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche auf ein Teil, das teilweise die innere Arbeitsfläche eines Verbrennungszylinders bildet und aufs einer hypereutektischen Silizium-Aluminiumlegierung hergestellt ist, wobei die Innenfläche des Teils gereinigt wird.

10. Produkt, hergestellt gemäß Anspruch 9.

L e e r s e i t e